учебник Кирчанов

Гравитон – это квант гравитационного поля, безмассовая нейтральная частица с нулевой массой покоя и спином 2 (в единицах h). Спиральность гравитона, т.е. проекция спина гравитона на направление импульса гравитона, равна +2, – 2. Гравитоны подчиняются статистике Бозе и могут неограниченно накапливаться в одном квантовом состоянии, образуя бозе-конденсат, который представляет собой классическую гравитационную волну (см. табл. 4).

Гравитоны могут рассеиваться друг на друге: g + g = g + g. Сечение рассеяния гравитона на гравитоне: ~ L2 ~ (E/mc2) 2 ~ 10–67 см2. Теоретически вводятся: характерная масса Планка mП = (hc/G) 1/2=10–5 г, энергия покоя массы Планка mПc2 = 1,2·1019 ГэВ. Длина волны Комптона для массы Планка L = hmП = 10–33 см («квант пространства»). Планковское время tП = L/c = 10–43 с («квант времени»).

Другим возможным процессом является двухгравитонное рождение пары частица-античастица негравитационного поля, например: g + g = (e –) + (e+). Таким образом, на квантовом уровне обнаруживается взаимопревращаемость всех видов материи, включаягравитационноеполе. Гравитацияуниверсально взаимодействует с любой формой энергии, в том числе с вакуумной энергией, которая проявляется в уравнениях Эйнштейна в виде космологической постоянной (ламбда-член).

Экспериментально гравитоны не наблюдались. Имеются отдельные косвенные наблюдения гравитационных волн на работающих экспериментальных установках.

Если «выключить» гравитационное взаимодействие, то исчезнет крупномасштабная «пенная» структура Вселенной: галактики, звезды, планеты. Частицы и тела перейдут в состояние невесомости, атомы, молекулы и тела сохранятся.

Законы сохранения – физические закономерности, согласно которым численные значения некоторых физических вели-

61

чин не изменяются со временем в любых процессах или в определенном классе процессов в замкнутой системе. Все законы сохранения разделяются на три группы.

1.Законы сохранения, связанные с симметрией четырехмерного пространства-времени.

2.Законы сохранения, связанные с внутренними симметриями: закон сохранения электрического заряда соответствует повороту электромагнитного поля в неком внутреннем пространстве.

3.Приближенные законы сохранения, справедливые для некоторых видов взаимодействий.

Уравнения квантовой теории поля инвариантны, не меняют своеговида, еслиодновременнопроизвеститрипреобразования: зарядового сопряжения (С), поменяв частицы на античастицы, пространственной инверсии (Р): замены координат r на – r и обращения времени (Т): замены t на – t. Это утверждение называется теоремой СРТ. Например, позитрон e+, летящий по оси x, это электрон e–, летящий по оси −x из будущего в прошлое.

В природе существуют состояния со спонтанно нарушенной симметрией: например, лагранжиан (оператор энергии поля) обладает симметрией, а описываемое им устойчивое физическое со-

стояние(вакуум) – нет.

Единая теория поля – единая физическая теория, объединяющая сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное взаимодействия, в настоящее время еще не построена. Однако сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия обусловлены существованием групп локальной симметрии с тремя константами связи, зависящими от цветового заряда g1, электрического заряда g2, слабого заряда g3 и двенадцатью калибровочными полями: восемью глюонами, тремя вионами и фотоном. На малых расстояниях ~ 10–17 см все силы взаимодействий в основном приводят к потенциалу ~ g2/r. Все обрат-

62

ные константы взаимодействий сбегаются к одному числу при энергиях ~ 1015 ГэВ. Это означает, что сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия ранее были единым взаимодействием при таких больших энергиях, а затем при понижении энергии отделились друг от друга. Гравитационное взаимодействие отделилось еще раньше при еще больших энергиях.

В физике элементарных частиц в настоящее время бесструктурными «фундаментальными» частицами считаются: 6 лептонов, 6 кварков – это частицы вещества и 13 полевых частиц: 8 глюонов, фотон, 3 виона и гравитон. Для квантов про- странства-времени получены только оценки размеров 10–33 см и времени 10–43 с.

7 . Термодинамика – наука о наиболее общих тепловых свойствах макроскопических тел. Её выводы универсальны. ТермодинамическимипараметрамиявляютсядавлениеP, объёмV и температура T.

Первый закон термодинамики: поглощенное телом коли-

чество теплоты Q расходуется на изменение внутренней энергии U тела и совершение им работы A против внешних сил. Для элементарного изменения состояния системы

δQ = dU +δA.

Это равенство выражает закон сохранения энергии в тепловых процессах. Эквивалентная формулировка: невозможен вечный двигатель первого рода, способный совершать работу без потребления энергии.

Второй закон термодинамики: невозможен процесс,

единственным результатом которого является передача энергии в форме теплоты от холодного тела к горячему. Эквивалентная формулировка: невозможен вечный двигатель второго рода, полностью преобразующий тепловую энергию какого-либо тела в работу. Другая эквивалентная формулировка – принцип возрастания энтропии: энтропия замкнутой

63

системы не убывает со временем, что свидетельствует о необратимости термодинамических процессов.

dS ≥0,

где классическая энтропия S определяется как dS = δQ/Т.

Третий закон термодинамики (принцип Нернста): энтро-

пия любой равновесной системы стремится к нулю, если температура системы стремится к нулю.

Статистическая физика – раздел физики, изучающий макроскопические свойства систем на основе молекулярнокинетических представлений и методов математической статистики. Статистическая энтропия S = k ln W, где W – термодинамическая вероятность системы находится в определенном состоянии. Состояние с наибольшей вероятностью является равновесным. В реальных системах согласно второму закону термодинамики энтропия возрастает. Утверждение «природа стремится к беспорядку» означает, что упорядоченные системы неустойчивы и неравновесны, а состояние хаоса устойчиво

иравновесно, так как может быть реализовано наибольшим числом способов и имеет наибольшую вероятность W.

Газ – агрегатное состояние вещества, в котором атомы движутся свободно в промежутках между столкновениями.

Жидкость – вещество в конденсированном состоянии, имеющее объём, но не имеющее упругости формы. Молекулы жидкости находятся в оседлых состояниях, из которых осуществляют «прыжки» в соседние положения.

Твердое тело – тело, отличающееся постоянством формы

иобъёма. Атомы находятся в фиксированных положениях, в которых колеблются около положений равновесия. Твердые тела разделяются на аморфные и кристаллические. Кристаллы имеют симметрию.

64

Симметриякристаллов– свойствокристалловсовмещаться самим с собой при поворотах, отражениях, параллельных переносах. Существует следующие точечные группы симметрии: кубическая, тетрагональная, ромбическая, тригональная, моноклинная, триклинная и гексагональная.

Распределение Больцмана для концентрации числа частиц газа в гравитационном поле

n = n0·e – mgz/kT,

где m – масса частицы, z – высота, g = 9,8 м/с2, n (x, y, z) – концентрация частиц (число частиц в единице объема); k – постоянная Больцмана; Т – абсолютная температура. Распределение Максвелла молекул газа по абсолютным значениям скоростей

dn/n = const exp {– mv2/(2kT)} 4πv2 dv,

где v – скорость частицы.

Флуктуацией физической величины, характеризующей систему, называется отклонение истинного значения величины от ее среднего значения. Флуктуации возникают из-за теплового движения частиц системы. Пример: броуновское движение – беспорядочное движение малых частиц, взвешенных в жидкости, происходящее под действием ударов молекул жидкости. Результирующее давление на частицу в каждый момент времени отклоняется от среднего, т.е. флуктуирует.

Соотношения неопределенностей. Впервые на сущест-

вование неустранимых флуктуаций физических характеристик в микромире указал Гейзенберг в 1927 году. Справедливо

соотношение неопределенностей Гейзенберга между флуктуа-

циями импульса и координаты в виде

∆px ∆x ≥ ћ,

65

где ∆px – дисперсия импульса; ∆x – дисперсия координаты микрочастицы; ћ = h/(2π), h – постоянная Планка.

Справедливо соотношение неопределенностей между флуктуациями энергии и временем жизни частицы в квантовом состоянии

∆Е ∆t ≥ ћ,

где∆E – дисперсияэнергии; ∆t – дисперсиявременижизнимикрочастицы в данном состоянии.

Соотношение неопределенностей Эйнштейна для флук-

туации энергии E и флуктуации обратной температуры β в макромире имеет вид

∆β ∆E ≥ k,

где ∆E – дисперсия энергии; ∆β – дисперсия обратной температуры β = 1/T, k – постоянная Больцмана. Определим ∆(1/T) = 1/ T02 ·∆T, где T0 – температура термостата (окружающей среды); ∆T = Т ± Т0. Полагая приближенно, что ∆E ~ k·T0, ∆T ~ T0, получаем для соотношения Эйнштейна

∆E ∆T ≥ k T02.

Фундаментальные постоянные и их физический смысл.

Скорость света c = 3·108 м/с – универсальное ограничение на максимальную скорость любого материального объекта и на скорость передачи любого взаимодействия или сообщения.

Постоянная Планка (квант действия) ћ =1,054·10–34 Дж·с – универсальная количественная характеристика минимального квантового воздействия на объекты, находящиеся в микросостояниях.

Постоянная Больцмана k = 1,38·10–23 Дж/К – универсальная количественная характеристика минимального теплового не-

66

контролируемого воздействия на макрообъект при его приближении к тепловому равновесию.

2.2. Основные концепции химии

Система химических наук. Химические связи, системы и процессы. Реакционная способность веществ. Энергетика химических реакций.

Химия – наука о веществах и законах, которым подчиняются их превращения, одна из отраслей естествознания. Изучает превращения, в которых молекулы одного соединения обмениваются атомами с молекулами другого соединения, распадаются на молекулы с меньшим числом атомов, а также вступают в химические реакции, в результате которых образуются новые вещества. Химия сама создает предмет своих исследований.

Основная задача химии – получение вещества с заранее заданными свойствами и нахождение способов управления свойствами вещества. Свойства веществ зависят от четырех факторов: элементного и молекулярного состава вещества; структуры вещества; организации кинетической системы реагирующих веществ в химическом процессе; высокоорганизованных каталитических систем в предбиологическом синтезе. В своем развитии химия прошла четыре этапа решения основной задачи (табл. 5).

Химические модели:

•стехиометрическаямодельиспользуетхимическиеформулы и уравнения;

•атомно-молекулярная модель описывает реакции, внутримолекулярные и межмолекулярные перегруппировки атомов;

•геометрическая модель определяет структурные формулы и геометрические молекулярные параметры;

•электронная модель, используя электронное строение молекул, определяет реакционную способность веществ.

67

Химический процесс – это основное явление, отличающее химию от физики и делающее химию более сложной наукой, чем физика, так как химические системы сложнее физических систем. Химический процессы (в частности, синтез) происходят с участием химических систем – от элементов до макромолекулярных комплексов. Способность к взаимодействию различных химических реагирующих веществ определяется также условиями протекания химических реакций.

Система химических наук включает следующие разделы:

•неорганическая химия – изучает химические элементы

иих соединения (более 5 тыс.);

•органическая химия – изучает углерод и его соединения (более 4 млн);

•физическая химия – объясняет общие закономерности химических явлений на основе принципов физики с использованием физических экспериментальных методов;

•аналитическая химия – рассматривает принципы и методы изучения химического состава вещества (качественный

иколичественный анализ);

•химия высокомолекулярных соединений – изучает ве-

щества (в основном полимеры), молекулы которых состоят из большого числа повторяющихся группировок или мономерных звеньев, соединенных между собой.

Особенности современной химии:

1) дифференциация главных разделов химии на самостоятельные научные дисциплины;

2) интеграция химии с другими науками; 3) появление новых физико-химических и физических ме-

тодов исследования.

69

Химический элемент – вид атомов, характеризующихся одинаковым зарядом ядра, т.е. содержащих одинаковое число протонов, равное порядковому номеру Z в таблице Менделеева. В химических превращениях химические элементы сохраняются, так как ядра атомов остаются неизменными, а перераспределяются электроны внешних электронных оболочек атомов.

Периодическая система элементов Д. И. Менделеева –

классификация химических элементов, графическое выражение периодического закона, устанавливающего периодическое изменение свойств химических элементов по мере увеличения зарядов ядер их атомов. Современная система включает 111 элементов. Принцип построения состоит в выделении семи периодов (элементы расположены горизонтально) и восьми групп (элементы расположены вертикально). Каждый период начинается щелочным элементом и кончается благородным газом (например, третий период: натрий – аргон). Каждая группа подразделяется на главную и побочную. Элементы подгрупп обнаруживают определенное химическое сходство, например в первой группе: литий – франций. Элементы с порядковыми номерами Z = 58…71 образуют семейство лантаноидов и с Z = 90…103 – семейство актиноидов (табл. 6).

Квантовая механика объясняет последовательность формирования электронных конфигураций атомов по мере роста порядкового номера элемента Z. Согласно принципу минимума энергии и принципу Паули электроны заполняют электронные оболочки от ядра наружу и в каждом квантовом состоянии может находиться только один электрон. Период заканчивается полным заполнением всех подоболочек и начинается с построения новой оболочки. Общее число электронов в атоме равно номеру элемента и заряду ядра атома, так что полный электрический заряд атома равен нулю.

70